Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис Страница 10

Вспомните, что в школе вы уже слышали что-то очень похожее об агрегатных состояниях или фазах вещества. Каждое химическое соединение, например, H20, может существовать в твёрдом, жидком или газообразном состоянии (для воды – лёд, вода и водяной пар). Это классические фазы вещества. Привлекая квантовую физику, мы получаем ещё десятки состояний, удачно названных экзотическими фазами.[22] Квантовые состояния и их фазы не так просто визуализировать, но когда происходит переход из одной фазы в другую, результат этого перехода может проявиться так же быстро, как вылет молекул воды из жидкости в воздух или их остановка и образование ими твёрдого ледяного кристалла.

Возвратимся к нашим знакомым энергетическим горкам. Уровень моря – всё равно что очень холодный лёд: это самая низкая энергия, которую может приобрести классическая твёрдая фаза H20. В жидкой воде энергии побольше – теперь мы в высокогорной долине. Поднимемся ещё выше, на вершину горы: это аналог водяного пара. Нагревая лёд, мы переносим его через вершину пика и опускаем в долину с жидкостью. Добавим ещё тепла – и мы перенесём вещество через следующий пик и поместим в газовую долину.

Двигаться в другую сторону не так просто и очевидно. Начнём, скажем, с жидкой воды. Удерживая её при фиксированной температуре выше 0 °C (32°F), мы позволим ей спокойно плескаться в долине. Теперь начнём понижать окружающую температуру. Энергия теряется, но это значит одно: уровень воды в долине и высота волн будут понижаться. Как же воде перевалить через пик и перелиться на твердую ледяную равнину – уровень моря?

Короткий ответ: никак. Во всяком случае, без посторонней помощи. Этот опыт тоже можно попробовать провести в домашних условиях. Возьмите бутылку дистиллированной воды и поместите её в морозилку. Мы ждём, что, когда она станет холоднее 0 °C, она превратится в лёд. Это и случится с нормальной водой, содержащей примеси и включения – они-то и станут местами, в которых начнётся замерзание. Но чистая вода, без включений, не замёрзнет! Вы найдёте у себя в морозилке жидкую воду с температурой –18 °C (или –0.4°F – это обычная температура в морозильной камере). Если вы будете достаточно аккуратны, вы сможете получить жидкую воду даже при температурах примерно до –50 °C (–58°F)! Это и есть переохлаждённая вода, запертая в своей «жидкой долине».[23] У воды с примесями энергетический ландшафт отличается менее ярко выраженными долинами, и, остывая, она будет соскальзывать вниз по склону горы, не задерживаясь больше ни в каких долинах.

При температуре –18 °C достаточно внести в переохлаждённую воду малейшую асимметрию (скажем, щёлкнуть по стенке бутылки), как начнётся цепная реакция замерзания. Вода перевалит через пик потенциальной энергии, и та начнёт высвобождаться в окружающую среду, позволяя воде занять новое состояние энергетического минимума.

Теперь попробуем распространить наше воображение в область абстрактного и гипотетического и представить себе что-то гораздо менее осязаемое, чем тепловая энергия воды, – новый вид энергии, связанный с пространством и временем так, чтобы заставлять расширяться само пространство. В высокоэнергетическом состоянии пространство будет расширяться быстро. Такое расширение сейчас называют инфляцией. Это состояние аналогично переохлаждённой воде – она находится в долине высокоэнергетической инфляции. Как щелчок по стенке бутылки вызывал мгновенное замерзание переохлаждённой воды, так и здесь – возможно, в результате квантовой флюктуации – происходит фазовый переход, и мы выходим из «долины инфляции», опускаясь по склону горы к состоянию вакуума. И пока это происходит, образуются частицы – инфлатоны.

Как уже говорилось, в сегодняшней Вселенной общая теория относительности управляет миром на больших масштабах, а квантовая физика – на малых. Но в этой точке ранней Вселенной масштабы переворачиваются. В нарисованной нами картине квантовая физика управляет космосом на самых больших масштабах, и это приводит к колоссальному космологическому событию! Уравнения, объединяющие таким образом квантовую физику и общую относительность, дают непредставимо быстрое расширение, когда в состоянии инфляции каждый клочок пространства расширяется во много-много раз быстрее света.

Представляя собой, мягко говоря, предельный случай, инфляция тем не менее хорошо объясняет, почему Вселенная выглядит такой однородной. До начала инфляции она была фантастически горячей и плотной и, вероятно, представляла собой хаотическое нагромождение условий, изменявшихся от точки к точке, даже на крайне малых расстояниях. На этот кипящий океан накладывались малые флюктуации, обусловленные квантовой неопределённостью. Затем произошла инфляция, и полная энергия Вселенной оказалась размазанной по всем направлениям: её малый клочок распространился на всю нынешнюю наблюдаемую Вселенной и гораздо дальше. Результатом и оказалось то, что в нашей Вселенной плотность энергии повсюду одинакова.

Теория инфляции – очень убедительная и захватывающая. В любом современном учебнике космологии непременно обсуждаются особенности этого процесса. Как гениальный сыщик в повести Агаты Кристи, инфляция связывает между собой оборванные сюжетные линии, находит неожиданные объяснения и отвечает на кажущиеся неразрешимыми вопросы о Вселенной вокруг нас. Не правда ли, это одно из великих достижений современной космологической мысли?

Тёмная и таинственная материя

Хотя теория инфляции красиво объясняет наблюдаемую Вселенную, она всё же не может считаться полностью завершённой. Остаётся несколько неувязок, с которыми надо разобраться, чтобы всё встало на места. Прежде всего, это вопрос о природе инфлатона. Откуда он взялся и куда делся? Играет ли инфлатон какую-либо роль в сегодняшней Вселенной? Некоторые учёные считают, что инфлатон преобразовался в другую космологическую силу – тёмную энергию, сущность, о которой мы поговорим ниже. Пока, однако, эта теория остаётся довольно умозрительной.[24]

Одна из трудностей подтверждения теории инфляции – отсутствие прямых наблюдений, доказывающих реальность ее периода. Возможно, вы сейчас чешете в затылке: «Как же так? Ведь мы начали весь рассказ с вопроса о том, почему Вселенная везде выглядит одинаковой. Разве это не прямое доказательство инфляции?».

Да, это так, но это не решающее доказательство, ведь Вселенная могла попросту родиться вполне гладкой, однородной и повсеместно одинаковой. То же самое можно сказать и о других гипотезах, основанных на идее инфляции, от проблемы отсутствия монополя до проблемы плоской Вселенной. Сейчас у нас нет времени подробно говорить об этом, но вы можете провести много часов, задавая эти вопросы Google. По сути, все наблюдения Вселенной, которые можно использовать в качестве доказательства инфляции, вполне совместимы также и просто с возможностью рождения однородной Вселенной.

Когда в науке появляются конкурирующие идеи, которые одинаково хорошо объясняют одни и те же наблюдения, учёным нелегко сделать